●

karoseria samochodu jako przykład zło

ż

onej i odpornej na obci

ąż

enia konstrukcji

wykonanej z elementów kształtowanych obróbk

ą

plastyczn

ą

na zimno,

(-+)

6. Stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno

- stale (blachy i ta

ś

my) o grubo

ś

ci do

1,5

mm,

które musz

ą

by

ć

podatne do gł

ę

bokiego tłoczenia,

-

dynamiczny rozwój nowych generacji stali o

podwy

ż

szonej (HSS) i wysokiej (AHSS) wytrzymało

ś

ci

,

- na grubsze elementy (do

3

mm) nadal typowe

stale konstrukcyjne (

S…NC

oraz

S…MC

),

obci

ąż

enie

(http://imgauto.21cn.com)

- rozkład obci

ąż

e

ń

przy uderzeniu z przodu

obci

ąż

enie

(-)

- rozkład obci

ąż

e

ń

przy uderzeniu z boku

(http://imgauto.21cn.com)

obci

ąż

enie

- rozkład obci

ąż

e

ń

przy

uderzeniu z tyłu

(-)

••••

reklama nowej bezpiecznej karoserii Passata 2006

(http://www.turbopower.ws)

- badany fragment

– nowoczesna technologia ł

ą

czenia (spawanie laserowe) w technologii „tailored blanks”

ale stale nadal tradycyjne, konstrukcyjne do kształtowania na zimno (S…NC) o grubo

ś

ciach 1,5 oraz 2,5 mm

(gruba i ci

ęż

ka blacha 2,5 mm o strukturze ferrytyczno-perlitycznej i R

0.2

ok. 275

÷÷÷÷

355 MPa),

Mercedes, klasa C

(-)

(http://www.turbopower.ws)

•

wskazane (k. czerwony) elementy no

ś

ne karoserii,

dopiero w modelu 2008 b

ę

d

ą

wykonane ze stali

nowej generacji o wysokiej wytrzymało

ś

ci (AHSS)

6. Stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno

- ograniczymy si

ę

do stali na wyroby płaskie, uzyskiwane z ta

ś

m lub blachy o grubo

ś

ci

0,14

÷÷÷÷

1,5

mm,

- szerzej omówimy stale stosowane na elementy pojazdów samochodowych,

●

wymagania (dla ta

ś

m i blach

<<<<

1,5

mm do kształtowania na zimno):

- wysoka jako

ść

powierzchni i w

ą

skie tolerancje wymiarowe

(pewno

ść

kształtowania oraz lakierowania),

- mo

ż

liwe tylko, gdy ko

ń

cowe etapy wytwarzania obróbk

ą

plastyczn

ą

na zimno + rekrystalizacja,

- dobra podatno

ść

do kształtowania dalsz

ą

obróbk

ą

plastyczn

ą

na zimno

(gł

ę

bokotłoczno

ść

)

- łatwo spawalne i zgrzewalne (podstawowy sposób ł

ą

czenia),

- tanie wytwarzanie wyrobów o zło

ż

onych kształtach (bez p

ę

kni

ęć

, przew

ęż

e

ń

, pofalowania),

●

podział na dwie podstawowe grupy:

-

stale mi

ę

kkie

(ferrytyczne)

(+)

-

stale mi

ę

kkie

(ferrytyczne)

- głównym wymaganiem jest podatno

ść

do kształtowanie na zimno,

- niska granica plastyczno

ś

ci (R

0,2

) w celu ułatwienia formowania

(tolerowane warto

ś

ci

maksymalne

⇒

⇒

⇒

⇒

R

0,2

<<<<

270 MPa

),

- stałe

zmniejszanie zawarto

ś

ci C

(przez ostatnie 50 lat) – ostatnio cz

ę

sto poni

ż

ej

0,05%,

- całkowite lub kontrolowane

zwi

ą

zanie zawarto

ś

ci C

oraz

N

(ograniczenie umocnienia roztw.),

- w roztworze pogarszaj

ą

gł

ę

bokotłoczno

ść

,

- tworz

ą

c atmosfery Cottrella wywołuj

ą

fizyczn

ą

R

e

(starzenie gro

ź

ne dla tłoczenia),

-

stale o podwy

ż

szonej i wysokiej wytrzymało

ś

ci

- głównym wymaganiem jest wytrzymało

ść

przy zachowaniu odpowiedniej podatno

ś

ci na kształtowanie

(tolerowane

R

0,2

lub

R

m

minimalne

),

- coraz wi

ę

ksze znaczenie i rozwój wymuszany przez przemysł samochodowy

(ci

ęż

ar !),

- osi

ą

gane s

ą

warto

ś

ci

R

m

do

1000

(

1200

)

MPa

, a planowane s

ą

nawet powy

ż

ej 1600 MPa,

●

schemat wytwarzania ta

ś

my stalowej walcowanej na zimno i wy

ż

arzanej rekrystalizuj

ą

co,

ok. 500mm

grubo

ść

wlewka

100

÷÷÷÷

250 mm

do 22 kg H

2

SO

4

/t stali

lub do 7 kg HCl /t

(-+)

(metoda tradycyjna z grubych wlewków)

grubo

ść

ta

ś

my

do 1,5 (3) mm

ok. 1,5%

(M. Blicharski)

Rozwój metod produkcji stali walcowanych na gor

ą

co w postaci ta

ś

m

- ci

ą

głe odlewanie coraz cie

ń

szych wlewków,

- skracanie ła

ń

cucha procesów technologicznych,

podgrzewanie

ci

ą

głe odlewanie wlewka płaskiego

(rep -+)

www.stahl-online.de/medien_lounge/Vortraege/Singapore.pdf

ci

ą

głe odlewanie ta

ś

m (strip)

(2007)

(w fazie opracowywania)

Schemat zintegrowanej linii ci

ą

głego odlewania oraz walcowania na gor

ą

co ta

ś

m

⇒

⇒

⇒

⇒

- proces Arvedi ESP (Endless Strip Production), w kooperacji z Siemens AG, start w 2008, 2mln ton/rok,
- wlewek o grubo

ś

ci 40

÷÷÷÷

60 mm, linia produkcyjna o długo

ś

ci 190 m, czas przej

ś

cia 7 minut,

(rep -+)

(www.industry.siemens.com/metals/en/news/newsletter/mmz_01_2006/pdf/MetalsMining_1.06_20.pdf)

⇒

⇒

⇒

⇒

••••

pogl

ą

dowy schemat zmian temperatury podczas wytwarzania ta

ś

my walcowanej na zimno

i wy

ż

arzanej rekrystalizuj

ą

co.

(-+)

●

obecnie trwaj

ą

prace nad wdro

ż

eniem

metod odlewania ci

ą

głego cienkich wlewków (

1

÷÷÷÷

3

mm),

- wytwarzanie cienkiej

ta

ś

my bezpo

ś

rednio z cieczy

odlewanej mi

ę

dzy dwa obracaj

ą

ce si

ę

walce,

- eliminacja wi

ę

kszo

ś

ci stopni tradycyjnego procesu produkcyjnego,

- pozostaje jedynie

walcowanie na zimno i operacje wyko

ń

czeniowe

,

-

du

ż

a szybko

ść

krzepni

ę

cia

⇒

⇒

⇒

⇒

bardzo mała segregacja składu

⇒

⇒

⇒

⇒

zanieczyszcze

ń

mo

ż

e by

ć

wi

ę

cej,

- oszcz

ę

dno

ść

energii oraz kosztów inwestycyjnych, zmniejszenie emisji szkodliwych substancji,

(M. Blicharski)

●

dwa parametry okre

ś

laj

ą

ce zdolno

ść

blachy do kształtowania przez odkształcenie plastyczne na zimno:

(oba wyznaczane dotychczas na podstawie zwykłej próby rozci

ą

gania)

a)

wykładnik (współczynnik) umocnienia odkształceniowego n

- wykładnik pot

ę

gowy w równaniu opisuj

ą

cym zale

ż

no

ść

mi

ę

dzy napr

ęż

eniem rzeczywistym

σσσσ

a odkształceniem

rzeczywistym

εεεε

w zakresie odkształcenia jednorodnego (równomiernego),

σσσσ

= k

εεεε

n

gdzie k – stała,

n

- zwykle liczbowo równy

warto

ś

ci odkształcenia równomiernego w próbie rozci

ą

gania

,

-

dla stali ferrytycznej o małej zawarto

ś

ci C wynosi ok. 0,20

,

- ro

ś

nie ze zwi

ę

kszeniem czysto

ś

ci stali i wielko

ś

ci

ą

ziarna,

- wszystkie mechanizmy umocnienia zmniejszaj

ą

n

,

- najwi

ę

ksze

n

ma stal o małej wytrzymało

ś

ci

⇒

⇒

⇒

⇒

opracowanie nowych stali mi

ę

kkich

(+-)

- stale o podwy

ż

szonej wytrzymało

ś

ci mog

ą

by

ć

stosowane na elementy o niezbyt rozwini

ę

tych kształtach

,

im wi

ę

ksza wytrzymało

ść

tym mniejszy zakres odkształcenia równomiernego umo

ż

liwiaj

ą

cego formowanie,

(M. Blicharski)

b)

współczynnik anizotropii,

- anizotropia wynika z

tekstury krystalograficznej

, która wpływa na rozkład odkształce

ń

i płyni

ę

cie

plastyczne podczas kształtowania wyrobów,

-

współczynnik anizotropii normalnej

r

:

r

⇐

⇐

⇐

⇐

stosunek odkształcenia rzeczywistego szeroko

ś

ci do odkształcenia rzeczywistego

grubo

ś

ci rozci

ą

ganej próbki z blachy,

r

S

= ¼(r

0

+ 2r

45

+ r

90

) –

ś

redni współczynnik anizotropii normalnej (do kierunku walcowania),

- du

ż

y współczynnik

r

⇒

⇒

⇒

⇒

dobra gł

ę

bokotłoczno

ść

, niewielkie pocienienie przy kształtowaniu,

(-+)

Ucha tworz

ą

ce si

ę

podczas tłoczenia

jako wynik

anizotropii płaskiej

(

∆∆∆∆

r

)

∆∆∆∆

r = ½ (r

0

+ r

45

+ r

90

)

- dla materiału izotropowego: r = 1 ,

∆∆∆∆

r = 0

(M. Blicharski)

stale mi

ę

kkie

uspokajane Al

„Mild Steels”

wolne od atomów
mi

ę

dzyw

ę

złowych

„IF Steels”

DC01

DC03

PN-EN 10130

(0,12% C)

(0,10% C)

Stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno

(„Interstitial Free Steels”)

(supergł

ę

bokotłoczne)

(stale gł

ę

bokotłoczne)

(+-)

b

o

k

o

tł

o

c

zn

o

ś

ć

R

0,2

<<<<

210

MPa

R

m

<<<<

270 MPa

DC03

DC04

DC05

DC06

DC07

(0,10% C)

(0,08% C)

(0,06% C)

(0,02% C + 0,3% Ti, Nb)

(0,0?% C + 0,3% Ti, Nb)

PN-EN 10268:2006

nowoczesne stale IF

⇒

⇒

⇒

⇒

(nie uj

ę

te jeszcze w normach

ale ju

ż

produkowane)

0,003% C
0,003% N

0,010% Ti
0,020% Nb
0,03% Al
0,003% B

(odtleniane pró

ż

niowo)

HC180Y
HC220Y
HC260Y

(max 0,01% C)

g

ł

ę

b

o

k

o

tł

o

c

zn

o

ś

ć

(stale te mo

ż

na klasyfikowa

ć

jako „mi

ę

kkie” chocia

ż

nale

żą

do grupy stali o podwy

ż

szonej wytrzymało

ś

ci

PN-EN 10268, w której tolerowane jest

R

0,2

minimalne

)

TRIP

IF-HS

CP

PM

IS

stale wielofazowe

Partially Martensitic Steels

Complex Phase Steels

Transformation Induce Plasticity Steels

stale o izotropowej plastyczno

ś

ci

(specjalnie rozdrobnione ziarna

←

←

←

←

Ti)

stale bez atomów mi

ę

dzyw

ę

złowych (C, N)

(umacniane roztworowo

←

←

←

←

P, B)

Interstitial
Free Steels

stale umacniane podczas utwardzania lakieru

TWIP

Twinning Induced Plasticity Steels

(EN HC180

÷÷÷÷

260Y)

●

stale o podwy

ż

szonej wytrzymało

ś

ci (HSS oraz AHSS) do kształtowania na zimno,

(+-)

(EN HC 220

÷÷÷÷

300I)

EN H

C

T690

÷÷÷÷

780T (

TRIP

)

EN H

C

T600

÷÷÷÷

980C (

CP

)

EN H

D

T1200M

(

MS

)

(niskow

ę

glowy martenzyt)

?

austenityczne umacniane bli

ź

niakowaniem

DP

BH

(HSLA)

stale umacniane podczas utwardzania lakieru
(w temperaturze ok. 170

°

C

⇒

⇒

⇒

⇒

atmosfery Cottrella)

martenzyt w osnowie ferrytycznej

stale mikrostopowe
umacniane wydzieleniowo

←

←

←

←

zwi

ą

zki Ti, Nb, V

5

stale umacniane roztworowo

←

←

←

←

P

a tak

ż

e Mn, Si

Rozwój stali o wysokiej wytrzymało

ś

ci (HSS oraz AHSS) do kształtowania na zimno.

(EN HC260

÷÷÷÷

420LA)

(EN HCT450

÷÷÷÷

980X)

(EN HC180

÷÷÷÷

300B)

(EN HC180

÷÷÷÷

300P)

(S. Keeler, American Iron and Steel Institute)

w

y

d

łu

ż

e

n

ie

A

[

%

]

stale mi

ę

kkie

stale o podwy

ż

szonej i wysokiej wytrzymało

ś

ci

(+-)

TWIP

w

y

d

łu

(w stalach mi

ę

kkich istotna jest

max R

0,2

)

Wytrzymało

ść

na rozci

ą

ganie R

m

[MPa]

(w stalach wysokowytrzymałych

bardziej istotna jest

min R

m

)

●

zalecane jest podawanie obu parametrów (

R

0,2

/ R

m

), np. HSLA 350/450,

wskazuje to jednocze

ś

nie zakres umocnienia odkształceniowego w trakcie rozci

ą

gania,

(www.autosteel.org)

(+-)

- R

eL

WELDING JOURNAL, AUGUST 2006,

http://files.aws.org/wj/2006/08/wj0806-31.pdf

Stale o podwy

ż

szonej wytrzymało

ś

ci (HSS) do kształtowania na zimno

umacniane roztworowo
głównie

P

a tak

ż

e Si, Mn

mikrostopowe
(umac. wydziel.)

„HSLA”

HC260LA

HC420LA

(

≤

0,1% C)

EN 10268:2006

umacniane podczas
utwardzania lakieru

„efekt BH”

EN 10268

HC180B

HC300B

(

≤

0,05

÷

0,1% C)

(

≤

0,06

÷

0,12%P

)

(

≤

0,05

÷

0,1% C)

(

≤

0,08

÷

0,12%P

)

HC180P

HC300P

wolne od atomów
mi

ę

dzyw

ę

złowych

„IF-HS”

EN 10268:2006

HC180Y

HC260Y

(

≤

0,003

÷

0,01% C)

izotropowe

„IS”

(

≤

0,07

÷

0,08% C)

(

≤

0,05

÷

0,08%P

)

HC220I

HC300I

(+)

konstrukcyjne
niskostopowe

EN 10149

S260NC

S420NC

S315MC

S500MC

S600MC

S700MC

(

≤

0,16

÷

0,2% C)

(

≤

0,12% C)

(

≤

0,06

÷

0,12%P

)

(

≤

0,003

÷

0,01% C)

(

≤

0,06

÷

0,10%P

)

ferrytyczno-bainityczne
(umacniane wydzieleniowo)

EN 10336: 2007

HDT450F

HDT560F

(

<

0,18% C)

walcowane normalizuj

ą

co

walcowane cieplno-plastycznie

}

ferryt + perlit

}

bainit (Mo + B)

stale walcowane na zimno + rekrystalizacja

stale walcowane tylko na gor

ą

co

(-+)

Stale HSS umacniane roztworowo

P

oraz Si i Mn

Stale umacniane podczas utwardzania lakieru (efekt BH) w temp. ok. 170

°

C

Stale umacniane podczas utwardzania lakieru (efekt BH) w temp. ok. 170

°

C

●

stale umacniane podczas utwardzania lakieru (BH – „bake-hardening steels”)

(umocnienie
odkształceniowe)

(umocnienie podczas
utwardzania lakieru)

- stale typu BH:

- od HC180B do HC300B

(EN 10268:2006)

- inne stale z ferrytem w strukturze:

- stale DP
- stale TRIP
- stale CP
- stale MS

(EN 10336:2007)

(+-)

(E. Lamm, USINOR)

(IISI, www.worldautosteel.org)

starzenie 170

°

C/20 min

HC340LA

HC340X

HCT600T

HCT600X

Stale wolne od atomów mi

ę

dzyw

ę

złowych i podwy

ż

szonej wytrzymało

ś

ci (HSS)

Stale HSS o własno

ś

ciach izotropowych

(-+)

(-+)

Stale HSLA – umacniane wydzieleniowo, niskostopowe o podwy

ż

szonej wytrzymało

ś

ci

Stopie

ń

wykorzystania stali HSS w konstrukcji samochodów osobowych w latach 1995-2015

stale dwufazowe

„DP – dual phase”

stale M (MS, Mart)

martenzytyczne

EN 10336: 2007

EN 10336: 2007

H

C

T450X

H

C

T980X

oraz

H

D

T580X

Stale o wysokiej wytrzymało

ś

ci (AHSS) do kształtowania na zimno

stale wielofazowe

„CP, PM, TRIP”

(ferryt + martenzyt)

(martenzyt niskow

ę

glowy, niskostopowy)

H

D

T1200M

oraz wiele nie uj

ę

tych normami,

EN 10336: 2007

(+)

H

D

T580X

R

m

H

D

T750C

H

D

T780C

H

D

T950C

H

C

T600C

H

C

T780C

H

C

T980C

stale CP

(complex phase)

stale PM

(partially martensitic)

stale TRIP

(

TR

ansformation

I

nduced

P

lasticity)

H

C

T690T

H

C

T780T

(ferryt + powy

ż

ej 20% martenzytu,

bainitu, austenitu szcz

ą

tkowego)

(ferryt + bainit +martenzyt +
+ austenit)

(ferryt + bainit +martenzyt)

oraz wiele nie uj

ę

tych normami,

np:

CR MartiNsite M220

wal. na gor

ą

co

wal. na zimno

(+)

••••

sposoby chłodzenia stali AHSS pierwszej generacji – metody wytwarzania

(American Iron and Steel Institute, 2005 - www.steel.org)

(+-)

••••

umocnienie struktur

ą

w stalach wielofazowych

(ThyssenKrupp Stahl AG – 2002)

(-+)

•

mikrostruktura wybranych stali wielofazowych w porównaniu ze stalami

mi

ę

kkimi oraz stalami HSS (na przykładzie stali HSLA)

http://www.metal.citic.com/cd/2005-HSLA-NB/HSLA-013.pdf

W.BLECK, K.PHIU-ON, Aachen University